(57)【要約】【課題】  排気系に混入する二次空気を加熱するという手段でなく、始動時の低温下において、排気ガスに大量に含まれている未燃燃料成分（ＨＣ、ＣO）の酸化を十分に促進し、排気浄化用触媒の早期の活性化を図る、特に、酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した低温始動時の高性能な触媒早期暖機装置に関する。【解決手段】  触媒上流部の内燃機関の排気マニホルドに酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を連結し、上記酸素マイナスイオン発生装置は、触媒暖機状態検出手段を備え、かつ、触媒暖機が必要と判断された場合は上記電源及び上記ヒーターの駆動スイッチをオンにし、触媒暖機が必要でないと判断された場合は上記各駆動スイッチをオフに制御する制御手段を備えたことを特徴とする低温始動時の触媒早期暖機装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の低温始動時における触媒暖機装置において、内燃機関の排気系に酸素マイナスイオン発生装置を備えて触媒上流部の排気に酸素マイナスイオンが混入されるように構成したことを特徴とする低温始動時の触媒早期暖機装置。
【請求項２】
上記排気系に備えた酸素マイナスイオン発生装置は、触媒上流部の内燃機関の排気マニホルドに上記酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を連結したことを特徴とする請求項１に記載の低温始動時の触媒早期暖機装置。
【請求項３】
上記排気系に備えた酸素マイナスイオン発生装置は、触媒上流部の上記排気マニホルドに結合された二次空気供給管に上記酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を連結したことを特徴とする請求項１に記載の低温始動時の触媒早期暖機装置。
【請求項４】
上記酸素マイナスイオン発生装置は、容器と、少なくとも一部が上記容器の中に配設されてその外部表面が酸素マイナスイオン発生部となるアルミナセメント構成材と、上記アルミナセメント構成材を加熱するヒーターと、上記アルミナセメント構成材の内部表面の少なくとも一部に形成された酸素供給電極と、上記酸素供給電極に供給される少なくとも酸素ガスを含むガスと、上記酸素マイナスイオン発生部と離隔して上記容器内に設置された酸素マイナスイオン引き出し電極と、上記酸素マイナスイオン引き出し電極に酸素供給電極よりも高い電圧を印加し得る電源とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の低温始動時の触媒早期暖機装置。
【請求項５】
上記酸素マイナスイオン発生装置は、触媒暖機状態検出手段を備え、かつ、上記触媒暖機状態検出手段からの検出データに基づき、触媒暖機が必要と判断された場合は上記電源及び上記ヒーターの駆動スイッチをオンにし、触媒暖機が必要でないと判断された場合は上記各駆動スイッチをオフに制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の低温始動時の触媒早期暖機装置。
【請求項６】
上記検出データは、触媒近傍の排気ガス温度である請求項５に記載の低温始動時の触媒早期暖機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、始動直後の暖機運転中に、排気ガス中のＨＣ、ＣO等の未燃燃料の酸化を促進し、排気浄化用触媒の早期の活性化を図る低温始動時の触媒早期暖機装置に関し、特に、酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した低温始動時の触媒早期暖機装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の始動直後の暖機運転中は、内燃機関の筒内壁及び吸入空気の温度が低いために、噴射した燃料が十分に気化せず、機関燃焼に供される混合気の濃度向上のため通常以上の燃料を増量することとなる。このため、有害な未燃ＨＣ、ＣOが大量に排出されることとなる。しかも、このような条件下では、排気系に設けられた排気浄化用触媒の温度も低く、当該触媒が十分に活性化する温度に達していない。このことが、特に、低温時における排気特性の改善を困難にしていた。
このように、内燃機関の始動直後の暖機運転中は、内燃機関の筒内壁及び吸入空気の温度が低いために、噴射した燃料が十分に気化せず、混合気の濃度を少しでも向上するために通常よりも多めの燃料噴射が行われている。このため、有害な未燃ＨＣ、ＣOが大量に排出されることとなる。しかも、このような条件下では、排気系に設けられた排気浄化用触媒の温度も低く、当該触媒が十分に活性化する温度に達していない。このような問題に対し、従来技術として、例えば、特許文献１には、二次空気供給装置により排気系に二次空気を供給する技術が提示されている。二次空気供給装置は、低温始動時等において、排気浄化用触媒が十分に活性化しない温度条件下で機関燃焼に供される燃料噴射を増量する場合に、各燃焼室から排出された直後の排気ガス中に二次空気を混入し、排気ガス中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣO）の酸化反応を促進する。これにより排気浄化用触媒の上流において未燃燃料成分（ＨＣ、ＣO）の酸化、燃焼が促進されるとともに、その反応熱によって当該触媒の活性化が早められることとなる。しかし、低温始動時には外気も低温であり、低温のまま二次空気を混入しても十分な酸化が行われないという問題があり、これに対処するために、例えば、特許文献２では、内燃機関の吸気側と排気マニホルドを連通する二次空気導入通路を設け、同二次空気導入通路を介して触媒装置に二次空気を供給する二次空気供給装置において、二次空気導入通路に気体加熱装置を設けた技術が提示されている。
【０００３】
しかしながら、上記技術では、加熱装置により二次空気が暖められるため一応の効果を奏するものの、加熱できる温度範囲は、加熱装置の制約から限界があり、酸化反応速度の向上はよくても従来技術の数倍程度が限界でそれ以上の効果は期待できない。また、さらには、加熱装置をはじめとする種々の装置が必要となるため、効果の割には装置が大型化、複雑化してしまう欠点がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４―１１６４５６号公報
【特許文献２】特開平０６−３３６９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来技術が有する欠点を改良しようとするものであり、排気系に混入する二次空気を加熱手段により暖めるという手段でなく、また、そのために装置の複雑化、大型化をもたらさずに、始動時の低温下においても、排気ガスに大量に含まれている未燃燃料成分（ＨＣ、ＣO）の酸化即ち燃焼を十分に促進し、排気浄化用触媒の早期の活性化を図る低温始動時の触媒早期暖機装置を提供することを目的とし、特に、酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した低温始動時の高性能な触媒早期暖機装置の実現に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の触媒早期暖機装置は、内燃機関の低温始動時における触媒暖機装置において、内燃機関の排気系に酸素マイナスイオン発生装置を備えて触媒上流部の排気に酸素マイナスイオンが混入されるように構成したことを特徴とするものである。
【０００７】
一般に、O-、O2-、O2-、O3-、On-で定義される酸素マイナスイオンは、酸素分子に比べて約一万倍の酸化能力を持っていることが知られている。そのため、排気ガス温度が低い状態であっても、排気ガス中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣO）を、連続して酸化することが可能であり、従来の加熱装置により二次空気を加熱する方式に比べて格段の早期触媒活性化を促進するものである。また、加熱装置を始めとする大型かつ複雑な装置を必要とすることもない。
【０００８】
請求項２の発明のように、上記排気系に備えた酸素マイナスイオン発生装置は、触媒上流部の内燃機関の排気マニホルドに上記酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を連結したことを特徴とする。
【０００９】
このように構成することにより、酸素マイナスイオン発生装置を内燃機関に複雑に組み込むことなく、コンパクトに構成した酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を吸気マニホルド上流部に連結するのみであるから、結果として装置全体を簡便にかつコンパクトに構成することができる。
【００１０】
請求項３のように、上記排気系に備えた酸素マイナスイオン発生装置は、触媒上流部の上記排気マニホルドに結合された二次空気供給管に上記酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を連結したことを特徴とする。
【００１１】
このように構成することにより、排気系に二次空気を供給する従来からの所謂二次空気供給方式を備えた排気系にも、酸素マイナスイオンを使用した本発明にかかる装置を簡便に設置することができる。
【００１２】
請求項４の装置は、上記酸素マイナスイオン発生装置が、容器と、少なくとも一部が上記容器の中に配設されてその外部表面が酸素マイナスイオン発生部となるアルミナセメント構成材と、上記アルミナセメント構成材を加熱するヒーターと、上記アルミナセメント構成材の内部表面の少なくとも一部に形成された酸素供給電極と、上記酸素供給電極に供給される少なくとも酸素ガスを含むガスと、上記酸素マイナスイオン発生部と離隔して上記容器内に設置された酸素マイナスイオン引き出し電極と、上記酸素マイナスイオン引き出し電極に酸素供給電極よりも高い電圧を印加し得る電源とを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
従来の酸素マイナスイオン発生装置は、高真空装置や放電のためのエネルギー源を必要とするため、装置が大型化しかつ消費電力が大きいなどの欠点があり、一方で、コンパクトな形式のものでは、生成される酸素マイナスイオン量が極めて少ないなどの欠点があったが、このように構成することにより、高真空装置や放電のためのエネルギー源を必要とせず、コンパクトな設備で、アルミナセメントから酸素マイナスイオンを安定的かつ連続的に生成することができる。その結果として、低温始動時の暖機運転中において、排気ガス中の未燃燃料成分（ＨＣ、ＣO）の酸化を、安定的かつ連続的に促進することができる。
【００１４】
請求項５の発明のように、上記酸素マイナスイオン発生装置は、触媒暖機状態検出手段を備え、かつ、上記触媒暖機状態検出手段からの検出データに基づき、触媒暖機が必要と判断された場合は上記電源及び上記ヒーターの駆動スイッチをオンにし、触媒暖機が必要でないと判断された場合は上記各駆動スイッチをオフに制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
一般に、酸素マイナスイオンによる燃焼促進効果が期待されるのは、限られた運転状態、特に、暖機運転中或いは触媒暖機が必要とされる場合などに限られる。従って、このように構成することにより、触媒暖機が必要とされる場合であることが確認された場合のみ酸素マイナスイオンを発生させることができ、排気ガス中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣO）の確実な酸化を促進すると共に、無駄になる酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
【００１６】
請求項６の発明のように、上記検出データは、触媒近傍の排気ガス温度であることを特徴とする。
【００１７】
触媒暖機が必要とされる場合は、触媒温度が一定の温度に至っていない場合であり、触媒に温度センサーを備えてもよいが、通常使用されている触媒近傍の排気ガス温度センサーにより検出される排気ガス温度により十分に判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、内燃機関系統の全体構成をイメージ的に示すとともに、本発明に係る低温始動時の触媒早期暖機装置における一つの実施例が示されている。内燃機関（エンジン）１の排気系の途中、具体的には、排気マニホルド４下流側直近の位置に、酸素マイナスイオン発生装置２の酸素マイナスイオン放出部６が連結されている。なお、３は排気浄化触媒装置、５は排気ガス温度センサーである。
【００１９】
図２は、内燃機関系統の全体構成をイメージ的に示すとともに、本発明に係る低温始動時の触媒早期暖機装置における他の実施例が示されている。内燃機関（エンジン）１の排気系の途中、具体的には、排気マニホルド４下流側直近の位置に二次空気供給管７が結合されており、同二次空気供給管７に酸素マイナスイオン発生装置２の酸素マイナスイオン放出部６が連結されている。なお、３は排気浄化触媒装置、５は排気ガス温度センサーである。
【００２０】
図３は、図１、２に示される酸素マイナスイオン発生装置２を拡大して示したものである。２は酸素マイナスイオン発生装置であって、酸素マイナスイオンを包蔵できるアルミナセメント構成体８と、アルミナセメント構成体８を保持する容器１１と、アルミナセメント構成体８を加熱するヒーター１２と、アルミナセメント構成体８の内部に設けられた酸素供給電極９と、この酸素供給電極９へ供給される少なくとも酸素ガスを含むガス１５と、アルミナセメント構成体８から酸素マイナスイオンを引き出すための引き出し電極１３と、引き出し電極１３に酸素供給電極９よりも高い電圧を印加し得る電源１４とから構成されるものである。
【００２１】
アルミナセメント構成体８は、図２に示すように、例えば、加圧成型した後に焼成することにより、一端を閉じた筒状体として構成し、その閉じた一端側が容器１１内に配設されている。アルミナセメント構成体８の内表面には、少なくともその一部に酸素供給電極９が形成されており、後述するように、酸素供給電極９には少なくとも酸素ガスを含むガス１５供給されると共に、電源１４から電子が供給される。酸素供給電極９は、例えば、アルミナセメント構成体８の内側に金属ペーストを塗布し、焼結することにより形成され、供給された酸素がアルミナセメントと反応できるように多孔質に形成されている。また、アルミナセメント構成体８の容器１１内の閉じた一端側の外表面が酸素マイナスイオン発生部１０となっている。さらに、アルミナセメント構成体８は、ヒーター１２により6５０℃以上に加熱され、図示されていないが、従来から使用されている適切な温度センサーを用いることによりアルミナセメントの温度を制御している。
【００２２】
容器１１は、ステンレス、ガラスなどで作成され、内部の雰囲気は、真空に保持するか、不活性ガスのアルゴンなどが封入されるが、乾燥状態に保持することが好ましい。
【００２３】
引き出し電極１３は、図示されるように、酸素マイナスイオン発生部１０から所定の距離ｄだけ離隔して配置される。また、引き出し電極１３は、ステンレス板などで作成され、その中心部に、発生した酸素マイナスイオンが通過できるように孔が設けられている。
【００２４】
電源１４は、アルミナセメントから酸素マイナスイオン１７を引き出すために、引き出し電極１３に対し、酸素供給電極９よりも高い電圧を印加する電源であって、直流、交流いずれでもよい。なお、１６は、電源をオン、オフする駆動スイッチである。
【００２５】
次に、酸素マイナスイオンの発生方法について説明する。第一段階として、ヒーター１２によりアルミナセメント構成体８を過熱し、６５０℃以上、例えば、７００〜８１０℃に加熱することが好ましい。第二段階として、電源１４により、引き出し電極１３と酸素供給電極９との間に、１００〜２５００Ｖの電圧を印加すると共に、酸素供給電極６に酸素ガスを含むガス１５を供給する。このため、酸素供給電極９から電子が供給され、アルミナセメント中に包蔵されているO-、O2-、O2-の各イオン間で電子のやり取りが生じ、所謂イオン伝導が生じる。この結果、酸素マイナスイオン発生部１０から酸素マイナスイオン１７が発生して外部に放出され、引き出し電極１３の穴を通過することとなる。一方で、アルミナセメントに包蔵されている酸素マイナスイオンは、酸素マイナスイオン発生部１０からの酸素マイナスイオン放出のため、その包蔵量が減少していくが、酸素ガスを含むガス１５が酸素供給電極９を経由してアルミナセメントに補給されて反応し減少分を補っていくこととなる。
【００２６】
次に、酸素マイナスイオン発生量とアルミナセメントの温度との関係を説明する。印加電圧を３７５Ｖとした場合の実験データによると、アルミナセメント構成体５の温度がおおよそ６５０℃で酸素マイナスイオンが発生し始め、７００℃を越えたあたりから電流密度は直線的に増加し始め、８１０℃において、酸素マイナスイオンの電流密度は０．２５μA/ｃｍ2であった。
【００２７】
さらに、酸素マイナスイオン発生量と印加電圧との関係を説明する。アルミナセメント構成体５の温度を８００℃とした場合の実験データによると、電界強度が３５Ｖ/ｃｍで酸素マイナスイオンが発生し、１００Ｖ/ｃｍで０．１μA/ｃｍ2発生し、５００Ｖ/ｃｍ前後から電流密度は直線的に増加し始め、さらに、１１００、１７００、２１３０Ｖ/ｃｍで、それぞれ、１、２、２．７μA/ｃｍ2であった。
【００２８】
また、本発明に係る酸素マイナスイオン発生装置２による発生酸素マイナスイオンの電流密度は、従来例の個体電解質材料ＹＳＺ（安定化ジルコニア）による発生酸素マイナスイオンの電流密度と比べると、約２０００倍以上となっている。
【００２９】
ところで、従来から、内燃機関の始動直後の暖機運転中は、内燃機関の筒内壁及び吸入空気の温度が低いために、噴射した燃料が十分に気化せず、混合気の濃度を少しでも向上するために通常よりも多めの燃料噴射が行われている。このため、有害な未燃のＨＣ、ＣOなどが大量に排気ガスと共に外部へ排出されることとなる。しかも、このような条件下では、排気系に設けられた排気浄化用触媒の温度も低く、当該触媒が十分に活性化する温度に達していない。このことが、特に、低温時における排気特性の改善を困難にしていた。
【００３０】
この問題を解決するためには、始動時に内燃機関から極力ＨＣ、ＣOを排出させないために、始動時間をいかに短縮するかということ、さらには、始動時にいかに完全燃焼をさせるか、さらには、排気浄化用触媒をいかに早く暖機させて、触媒の活性化を図るかということにかかっている。
【００３１】
本発明は、このような始動直後の暖機運転中に、排気ガス中のＨＣ、ＣO等の未燃燃料の酸化を促進し、排気浄化用触媒の早期の活性化を図る低温始動時の触媒早期暖機装置に関し、特に、酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した低温始動時の触媒早期暖機装置に関する。
【００３２】
一方で、ＨＣ、ＣOなどが大量に発生して問題になるのは暖気運転中であり、定常運転状態では従来からの触媒装置とＤＰＦを中心とする排ガス処理で十分対応可能である。従って、当然のことながら、運転中、常時酸素マイナスイオンを発生させて排気ガスに混入させる必要はなく、暖機運転、即ち触媒を暖機する必要がある場合のみ酸素マイナスイオンを発生できるように管理制御することにより、無駄となってしまう酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することとなる。
【００３３】
図４は、ECU（図示されていない）による酸素マイナスイオン発生装置２の運転制御に関するフローチャートであり、Ｓ１〜Ｓ５の各ステージ番号に沿って説明する。内燃機関（エンジン）１が始動すると同時に酸素マイナスイオン発生装置２が始動して、エンジン系統でエンジン１の回転数、燃料噴射量その他のエンジン動作状態に関するデータが測定され、また触媒装置近傍に配置された排気ガス温度センサー５で排気ガス温度が測定され、ECUにはそれぞれのデータが常時転送される（Ｓ１、２）。
【００３４】
次いで、触媒暖機が必要となる場合の判断基準である予め設定された触媒近傍の排気ガス温度と排気ガス温度センサー５から時々刻々転送されてくる排気ガス温度とをECUにおいて比較処理することにより、触媒暖機が必要であるか否かが判断され、必要であると判断された場合には（Ｓ３）、電源１４のスイッチ１６及びヒーター１２のスイッチ（図示されていない）はオンにされ、酸素マイナスイオンの発生が開始される（Ｓ４）。一方で、触媒暖機が必要でないと判断された場合には、電源１４のスイッチ１６及びヒーター１２のスイッチはオフにされ、酸素マイナスイオンの発生は停止される（Ｓ５）。
【００３５】
このように、本発明は上記のような構成であるので、以下のとおりの効果を奏する。
一般に、O-、O2-、O2-、O3-、On-で定義される酸素マイナスイオンは、酸素分子に比べて約一万倍の酸化能力を持っていることが知られている。そのため、排気ガス温度が低い状態であっても、排気ガス中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣO）を、連続して酸化することが可能であり、従来の加熱装置により二次空気を加熱する方式に比べて格段の早期触媒活性化を促進するものである。また、当然のことながら、従来技術の欠点である、加熱装置を始めとする大型かつ複雑な装置を必要とすることもない。
さらに、酸素マイナスイオン発生装置を内燃機関に複雑に組み込むことなく、コンパクトに構成した酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部を排気マニホルドの下流側に、或いは、排気マニホルド下流に結合された二次空気供給管に連結するのみであるから、結果として装置全体を簡便にかつコンパクトに構成することができる。
また、触媒暖機が必要とされることが確認された場合のみ酸素マイナスイオンを発生させることができ、無駄になる酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態における低温始動時の触媒早期暖機装置を組み込んだ内燃機関系統の概略構成図である。
【図２】本発明の他の実施の形態における低温始動時の触媒早期暖機装置を組み込んだ内燃機関系統の概略構成図である。
【図３】本発明の実施の形態における酸素マイナスイオン発生装置の全体構成図である。
【図４】本発明の実施の形態における低温始動時の触媒早期暖機装置の酸素マイナスイオン発生装置に関する運転制御についてのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１    エンジン
２    酸素マイナスイオン発生装置
３    排気浄化触媒装置
４    排気マニホルド
５    排気ガス温度センサー
６    酸素マイナスイオン放出部
７    二次空気供給管
８    アルミナセメント構成材
９    酸素供給電極
１０    酸素マイナスイオン発生部
１１    容器
１２    ヒーター
１３    引き出し電極
１４    電源
１５    酸素ガスを含むガス
１６    スイッチ
１７    酸素マイナスイオン
【図１】
2006188986.tif 000003
【図２】
2006188986.tif 000004
【図３】
2006188986.tif 000005
【図４】
2006188986.tif 000006